Современные представления о теории крашения волокон

Теоретические представления о процессе самопро­извольного перехода красителей из красильных ванн на волокно начали складываться параллельно с развитием и совершенствованием технологии крашения. Особое внимание уделялось дви­жущей силе процесса и проблеме связывания красителей волокнами-полимерами.

Первоначально считали, что краситель, переходя из раствора в набухшее волокно, задерживается внутри полимера механиче­ски, так как при высушивании волокна поры уменьшаются в ди­аметре и препятствуют движению молекул красителя. В настоя­щее время причину перехода красителя из красильного раство­ра в волокно объясняют двумя явлениями.

Во-первых, свободная энергия молекулы красителя (термо­динамический потенциал) в растворе после фиксации ее актив­ными центрами полимера существенно больше, чем в волокне. По законам термодинамики самопроизвольные процессы, к ко­торым относится крашение текстильных волокон, всегда направ­лены в сторону уменьшения свободной энергии (снижения тер­модинамического потенциала). Поэтому крашение сопровожда­ется накоплением красителя в волокне и уменьшением его содержания в красильном растворе. Процесс идет до вырав­нивания потенциалов красителя в волокне и растворе (равно­весие).

Разность стандартных термодинамических потенциалов кра­сителя в волокне и растворе называют сродством красителя к волокну (—∆μо). Стандартными термодинамическими потен­циалами называют потенциалы при концентрациях красителя в растворе и волокне, равных 1 г∙моль/кг соответственно.

Сродство рассчитывают по уравнению:

где R —газовая постоянная, кДж/(моль∙градус); Т — абсолютная темпера­тура, К; С_В — концентрация красителя в волокне при равновесии, г∙моль/кг; С_р — концентрация красителя в растворе при равновесии, г∙моль/л; знак «—» указывает, что потенциал красителя в растворе выше, чем в волокне (изме­ряется в кДж/моль).

Чем выше сродство данного красителя к волокну, тем быст­рее протекает процесс перехода красителя в волокно и тем выше, как правило, устойчивость связи краситель — волокно. Сродство — удобная сравнительная характеристика различных красителей по отношению к конкретному волокну или одного красителя по отношению к различным волокнам или условиям крашения.

Во-вторых, причина перехода красителя из ванны на волокно заключена в существовании разности концентрации красителя между волокном и раствором. В первоначальный период эта разница (градиент концентрации) велика, так как С_В = 0, а С_р максимальна. Стремясь к выравниванию концентраций в двух фазах — волокне и растворе, краситель переходит границу раз­дела двух фаз и заполняет волокно вплоть до равновесия.

Молекула красителя, попадая в волокно, не остается в по­верхностном слое, а стремится проникнуть вглубь — диффундирует внутрь субстрата. Красители диффундируют, либо двигаясь в порах волокна, заполненных раствором, либо за счет сегмент­ной подвижности макромолекул термопластичных полимеров.

Градиент концентрации красителя вызывает ускорение диф­фузии, а сродство — торможение процесса, так как молекулы красителя, взаимодействуя с активными центрами волокна, замедляют диффузию. Чтобы преодолеть торможение за счет срод­ства, диффузию красителей следует активировать. Этого доби­ваются изменением условий крашения: температуры, рН кра­сильной ванны, введением различных текстильных вспомогатель­ных веществ (ТВВ).

Скорость диффузии красителя в волокне измеряют коэффи­циентом диффузии, т. е. количеством красителя, прошедшего че­рез площадь поперечного сечения волокна в 1 см² за 1 с (Д). Она изменяется в зависимости от концентрации красителя в растворе и волокне (градиента концентрации), температуры про­цесса, доступности волокна для движения в нем красителя (строение волокон, в частности величина внутренней поверхно­сти, система пор, степень набухания).

С величиной сродства коэффициент диффузии связан обычно обратной зависимостью: чем выше средство красителя к волок­ну, тем меньше коэффициент диффузии.

Процесс перераспределения красителя между раствором и волокном и закрепление его в волокне проходит по стадиям, ко­торые протекают практически одновременно:

1. Диффузия красителя в растворе к поверхности погружен­ного в раствор волокна. Стадия протекает достаточно быстро.
Ускоряется в случае создания на поверхности волокон зарядов,
противоположных заряду красителя или при снижении величины
одноименного с красителем заряда. Существенно ускоряет пере­нос красителя в растворе перемешивание красильного раствора или движение окрашиваемого текстильного изделия.

2. Поглощение (адсорбция) красителя активными центрами
поверхности волокна. Под поверхностью волокна понимают не только геометрическую «наружную» поверхность, зависящую от диаметра и длины волокна, но и «внутреннюю» поверхность, об­разованную крупными порами волокна, которые быстро запол­няются красильным раствором и поверхность которых участвует в первичном акте поглощения красителей. Адсорбция красителя поверхностью волокна протекает достаточно быстро, а при наличии на поверхности волокна активных центров разноименно заряженных с красителем — мгновенно. Эта стадия процесса в значительной степени определяет равномерность получаемой в готовом изделии окраски.

3. Диффузия красителя внутрь волокна. Самая медленная
стадия, лимитирующая длительность процесса крашения в це­лом, зависит в первую очередь от активности молекул красите­ля, степени проницаемости волокна. Самым действенным фактором ускорения этой стадии является температура крашения. При более высокой температуре растет растворимость красителей, увеличивается их активность. Одновременно ускоряется степень набухания волокна, разрыхляется его структура, уменьшается интенсивность взаимодействия красителя с активными центрами волокна, снижается сродство. Для ускорения диффузии в волок­но полезным оказывается введение ряда ТВВ: растворителей или диспергаторов для красителя, пластификаторов для волокна и т. п.

4. Фиксация красителя на активных центрах волокна завер­шает процесс крашения. Эта стадия протекает быстро. После фиксации краситель перестает продвигаться в волокне и более или менее прочно удерживается активным центром в течение всего периода эксплуатации текстильного изделия. От вида свя­зи краситель — волокно, следовательно, зависит устойчивость окраски.